無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用：ZigBee版 課件 項(xiàng)目1-3 初識(shí)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)入門、了解ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用：ZigBee版項(xiàng)目1初識(shí)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程標(biāo)準(zhǔn)PPT電子課件參考程序代碼教學(xué)視頻資料教材習(xí)題參考答案項(xiàng)目目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)（1）理解ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義。（2）掌握ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（3）了解ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用。（4）掌握ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的選型方法。（1）熟悉BasicRF項(xiàng)目的工作機(jī)制。（2）熟悉CC2530建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信的方法。通過導(dǎo)入案例“智慧中國(guó)、科學(xué)抗疫”，弘揚(yáng)大國(guó)自信、樹立科技興國(guó)意識(shí)。

思維導(dǎo)圖1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義典型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有Wi-Fi(wirelessfidelity)、藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、Z-Wave、2G/3G/4G/5G

和NB-loT、eMTC、LoRa、Sigfox

等低功耗廣域網(wǎng)（lowpowerwideareanetwork,LPWAN)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，Z-Wave、ZigBee、藍(lán)牙和Wi-Fi

主要用于短距離無線通信，而2G/3G/4G/5G無線蜂窩通信和各種LPWAN

技術(shù)主要用于長(zhǎng)距離無線通信。1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義目前廣泛應(yīng)用和推廣的是ZigBee協(xié)議體系。它主要用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。德州儀器公司已經(jīng)推出了完全兼容該協(xié)議的片上系統(tǒng)(systemonchip,SoC)CCxxxx,同時(shí)也開發(fā)了相關(guān)的軟件協(xié)議棧Z-Stack。開發(fā)者可以利用上述硬件和軟件資源，搭建自己的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以多跳自組網(wǎng)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、信息世界和現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)通。與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)不同，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了信息采集、信息處理和信息傳輸?shù)裙δ?，改變了人與物理世界交互的方式。1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義目前，國(guó)內(nèi)外可提供ZigBee解決方案的公司有美國(guó)德州儀器(TexasInstruments，TI)、荷蘭恩智浦半導(dǎo)體(NXPSemiconductors，NXP)、美國(guó)芯科實(shí)驗(yàn)室(SiliconLabs)等。1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義表1.1列出了目前國(guó)內(nèi)外幾大ZigBee芯片廠商的代表產(chǎn)品信息及協(xié)議棧名稱。1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.2Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與其他無線通信協(xié)議相比，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有協(xié)議復(fù)雜度低、資源要求少等特點(diǎn)，具體如下：

1．低功耗

2．低成本

3．時(shí)延短

4．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率低

5．網(wǎng)絡(luò)容量大

6．有效范圍小

7．工作頻段靈活

8．兼容性好

9．安全性高

10．協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述1.1.2Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由PC、網(wǎng)關(guān)、路由傳感節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)部分四部分組成。1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成1．PCPC（數(shù)據(jù)管理中心）直接面向用戶，負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)中獲取所需要的信息，同時(shí)也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)做出各種各樣的指示、應(yīng)用操作等。2．網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)被用于連接傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)，各方面能力相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來說較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)還可用于發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)（如協(xié)調(diào)器），有足夠的能量和更多的內(nèi)存與計(jì)算機(jī)資源；也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能，僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。3．路由傳感節(jié)點(diǎn)路由傳感節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)路徑選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成4．傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和處理。一般的傳感器節(jié)點(diǎn)主要由能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)五部分組成。（1）傳感器節(jié)點(diǎn)的組成1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

4．傳感器節(jié)點(diǎn)（2）傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)①睡眠狀態(tài)：傳感器模塊關(guān)閉，通信模塊關(guān)閉，能量消耗最低。②感知狀態(tài)：傳感器模塊開啟，通信模塊關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)感知事件發(fā)生。③偵聽狀態(tài)：傳感器模塊開啟，通信模塊空閑。④接收狀態(tài)：傳感器模塊開啟，通信模塊接收。⑤發(fā)送狀態(tài)：傳感器模塊開啟，通信模塊發(fā)送。⑥長(zhǎng)期睡眠狀態(tài)：表示該節(jié)點(diǎn)能量處于閥值，不響應(yīng)任何事件。1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.1Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成4．傳感器節(jié)點(diǎn)（3）傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)約束條件①電源能量有限。②通信能力有限。③計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限。1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.2Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的情況可以由一個(gè)網(wǎng)關(guān)、一個(gè)或多個(gè)路由器、一個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.2Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大小只受PC軟件觀測(cè)數(shù)量、路由深度和網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)載量限制。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在沒有進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫薷闹爸С?級(jí)路由、31101個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。1.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1.2.3Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作流程ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝、架設(shè)過程中自動(dòng)完成。完成網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)后用戶便可以由PC、ARM終端，平板計(jì)算機(jī)或者手持設(shè)備發(fā)出命令讀取網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備上掛接的傳感器的數(shù)據(jù)，并測(cè)試其電壓。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.1概述ZigBee以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，使用全球免費(fèi)頻段進(jìn)行通信。傳輸速率分別為250kbit/s、20kbbit/s和40kbit/s。IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定PHY層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道分析我國(guó)的無線電管理機(jī)構(gòu)是中國(guó)無線電管理委員會(huì)，其主要負(fù)責(zé)無線電頻率的劃分、分配與指配，衛(wèi)星軌道位置的協(xié)調(diào)和管理，無線電監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、干擾的查處，協(xié)調(diào)處理電磁干擾事宜和維護(hù)空中電波秩序等。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道分析1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道分析一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道分析ZigBee技術(shù)的抗干擾特性主要是抗同頻干擾，即來自共用相同頻段的其他技術(shù)的干擾。對(duì)于同頻干擾的抵御能力是極為重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙皆O(shè)備的性能。ZigBee在2.4GHz頻段內(nèi)具備強(qiáng)抗干擾能力就意味著能夠可靠地與Wi-Fi、藍(lán)牙和Z-Wave共存。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道分析ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器首先要掃描所有的信道，然后確認(rèn)并加入一個(gè)合適的PAN，而不是自己去創(chuàng)建一個(gè)新PAN，這樣就減少了同頻段PAN的數(shù)量，降低了潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上，協(xié)調(diào)器上層的軟件要應(yīng)用信道算法選擇一個(gè)新的信道。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)初始化或響應(yīng)中斷時(shí)，ZigBee設(shè)備會(huì)先掃描一系列被列入信道表參數(shù)中的信道，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)信道選擇。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符ZigBee協(xié)議使用一個(gè)16位的個(gè)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PersonalAreaNetworkID，PANID）來標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，范圍從0x0000～0xFFFF。在使用ZStack-CC2530-2.5.1a版的協(xié)議中，可通過Tools目錄下f8wConfig.cfg文件里的參數(shù)-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID設(shè)置PANID。若-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID不為0xFFFF時(shí)，設(shè)備建立或加入網(wǎng)絡(luò)的PANID由-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID指定；若-

DZDAPP_CONFIG_PAN_ID為0xFFFF，則設(shè)備就將建立或加入一個(gè)“最優(yōu)”的網(wǎng)絡(luò)。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符PANID的出現(xiàn)一般是在確定信道以后，主要區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的PANID唯一，即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)PANID。PANID是由PAN協(xié)調(diào)器生成的，為可選配置項(xiàng)，用來控制ZigBee路由器和終端節(jié)點(diǎn)要加入哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)。f8wConfg.cfg文件中-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID可以設(shè)置為0x0000～0x3FFF之間的一個(gè)值。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.4Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的地址在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)地址。一個(gè)是物理（IEEE或擴(kuò)展）地址，每個(gè)CC2530單片機(jī)的IEEE在出廠時(shí)就已經(jīng)定義好了（當(dāng)然，在用戶學(xué)習(xí)階段可能通過編程軟件SmartRFFlashProgrammer修改設(shè)備的IEEE地址）。另一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)地址，是在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，按照一定的算法計(jì)算得到，并分配給加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的地址。網(wǎng)絡(luò)地址在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，16位的網(wǎng)絡(luò)地址主要有兩個(gè)功能：在網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識(shí)不同的設(shè)備；在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)指定目的地址。1.3Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議架構(gòu)1.3.5Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型Zigbee規(guī)范定義了三種類型的設(shè)備。①Zigbee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)和一種設(shè)備。一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)只允許一個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器。②Zigbee路由器是支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，Zigbee網(wǎng)狀或樹狀網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)Zigbee路由器；Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)不支持Zigbee路由器。③Zigbee終端設(shè)備可以執(zhí)行相關(guān)功能，并通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備通信。1.4Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee支持包含有主從設(shè)備的星型、樹型和網(wǎng)狀等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雖然每一個(gè)ZigBee設(shè)備都有一個(gè)唯一的64位的IEEE地址，并可以用這個(gè)地址在PAN中進(jìn)行通信，但在從設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)主協(xié)調(diào)器建立連接后會(huì)為它分配一個(gè)16位的短地址，此后就可以用這個(gè)短地址在PAN內(nèi)進(jìn)行通信。64位的物理地址是唯一的絕對(duì)地址，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的MAC地址；而16位的短地址是相對(duì)地址，相當(dāng)于IP地址。1.4Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4.1星狀拓?fù)湫菭钔負(fù)涫亲詈?jiǎn)單的一種拓?fù)湫问?，包含一個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的終端節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只能和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。如果需要在兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信則必須通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)現(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰褂肸igBee的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。1.4Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4.2樹狀拓?fù)錁錉钔負(fù)浒ㄒ粋€(gè)協(xié)調(diào)器以及一系列的路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器連接一系列的路由器和終端節(jié)點(diǎn)，作為其子節(jié)點(diǎn)的路由器也可以連接一系列的路由器和終端節(jié)點(diǎn)，并可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)。1.4Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4.2樹狀拓?fù)湫枰⒁庖韵聨c(diǎn)。①協(xié)調(diào)器和路由器可以包含自己的子節(jié)點(diǎn)。②終端節(jié)點(diǎn)不能有自己的子節(jié)點(diǎn)。③有同一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為兄弟節(jié)點(diǎn)。④有同一個(gè)祖父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為堂兄弟節(jié)點(diǎn)。樹狀拓?fù)渲械耐ㄐ乓?guī)則如下。①每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能與其父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。②如果需要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點(diǎn)，然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。1.4Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4.3網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)狀拓?fù)浒粋€(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器和終端節(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蜆錉钔負(fù)湎嗤?，可參考上面所提到的樹型網(wǎng)拓?fù)洹５?，網(wǎng)狀拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信。這種路由機(jī)制使得信息的通信變得更有效率，而且意味著一旦一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問題，信息可以自動(dòng)地沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。1.4Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4.3網(wǎng)狀拓?fù)渫ǔＴ谥С志W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化路徑。需要注意的是，以上所提到的特性都由網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何參與。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，可以通過“多跳”的方式來通信。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)具備自組織和自愈功能。采用星型和樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用，而采用網(wǎng)狀拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)主要適用于廣域網(wǎng)，它是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中最復(fù)雜且成本最高的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1.5Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1.5.1環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的應(yīng)用之一。由于人力資源有限，無法時(shí)刻關(guān)注環(huán)境變化。在這種情況下，可以將大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)部署于感興趣的環(huán)境中，實(shí)時(shí)收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息感知環(huán)境變化。常見的環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景有水污染監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)操作與動(dòng)物生活習(xí)性監(jiān)測(cè)等。由于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)信息傳輸?shù)难舆t要求不高，設(shè)計(jì)系統(tǒng)面臨的主要問題是，如何在保證應(yīng)用需求的情況下調(diào)度節(jié)點(diǎn)最大化網(wǎng)絡(luò)壽命。1.5Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1.5.2智能家居通過在家電中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，可以將屋內(nèi)所有的設(shè)備聯(lián)系在一起組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而為人們提供更加舒適方便的智能家居環(huán)境。如何實(shí)現(xiàn)多設(shè)備互連是智能家居應(yīng)用中面臨的主要設(shè)計(jì)問題。1.5Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1.5.3醫(yī)療護(hù)理將傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在老年人或者病人的身體上，實(shí)時(shí)匯報(bào)他們的身體狀態(tài)信息，醫(yī)生便可以遠(yuǎn)程了解病人的實(shí)時(shí)狀況，并采取相應(yīng)的醫(yī)療措施。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將有效地解決醫(yī)療資源匱乏的問題，降低醫(yī)療成本，在老齡化日益嚴(yán)重的今天發(fā)揮越來越重要的作用。設(shè)計(jì)適合采集身體狀況數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)與建立有效的醫(yī)療系統(tǒng)是醫(yī)療護(hù)理應(yīng)用面臨的主要問題。1.5Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1.5.4目標(biāo)跟蹤與定位在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的感知范圍有限，只有目標(biāo)附近的節(jié)點(diǎn)能夠感知目標(biāo)，遠(yuǎn)離目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)無法提供有效的信息。因此，通過喚醒目標(biāo)附近的節(jié)點(diǎn)，休眠遠(yuǎn)離目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)可以節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)資源有限，單個(gè)節(jié)點(diǎn)無法準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)位置，從而要求多節(jié)點(diǎn)協(xié)作共同跟蹤目標(biāo)。如何能有效地調(diào)度節(jié)點(diǎn)跟蹤目標(biāo)的同時(shí)實(shí)時(shí)匯報(bào)目標(biāo)位置到基站，是目標(biāo)跟蹤與定位應(yīng)用面臨的主要問題。1.6軟件資源1.6.1Zigbee協(xié)議棧選型常見的ZigBee協(xié)議棧分非開源的協(xié)議棧、半開源的協(xié)議棧和開源的協(xié)議棧三種。1．非開源的協(xié)議棧常見的非開源的協(xié)議棧的解決方案包括Freescale解決方案和Microchip解決方案。Freescale解決方案中最簡(jiǎn)單的ZigBee解決方案就是SMAC協(xié)議，是面向簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用，不涉及網(wǎng)絡(luò)的概念。Microchip解決方案提供的ZigBee協(xié)議棧為ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE，均是完整的協(xié)議棧，但收費(fèi)較高。1.6軟件資源1.6.1Zigbee協(xié)議棧選型2．半開源的協(xié)議棧TI公司開發(fā)的是一個(gè)半開源的ZigBee協(xié)議?！猌-Stack。它支持ZigBee和ZigBeePRO棧，并向后兼容ZigBee2006和ZigBee2004。Z-Stack內(nèi)嵌了OSAL操作系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的C語言代碼和IAR開發(fā)平臺(tái)，比較容易學(xué)習(xí)，是一款適合工業(yè)級(jí)應(yīng)用的免費(fèi)協(xié)議棧。1.6軟件資源1.6.1Zigbee協(xié)議棧選型1.6軟件資源1.6.1Zigbee協(xié)議棧選型3．開源的協(xié)議棧Freakz是一個(gè)徹底開源的ZigBee協(xié)議棧，配合Contiki操作系統(tǒng)，Contiki的代碼全部由C語言編寫，對(duì)于初學(xué)者來說比較容易上手。Freakz適合用于學(xué)習(xí)，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，還是Z-Stack比較適用。根據(jù)應(yīng)用需求，本書選用TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧和IAR平臺(tái)作為軟件工具進(jìn)行二次開發(fā)。1.6軟件資源1.6.1Zigbee協(xié)議棧選型開源即單擊該函數(shù)的右鍵，選擇“Gotodefinitionof函數(shù)名稱”，能夠跳轉(zhuǎn)到源函數(shù)定義，查看源程序。1.6軟件資源1.6.2IAR集成環(huán)境的安裝1．ZigBee開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介本書選用IAREmbeddedWorkbench作為ZigBee的開發(fā)環(huán)境。目前IAREmbeddedWorkbench已經(jīng)支持35種以上的8位/16位/32位的微處理器結(jié)構(gòu)。1.6軟件資源1.6.2IAR集成環(huán)境的安裝2．ZigBee開發(fā)環(huán)境的安裝IAREmbeddedWorkbench的安裝如同Windows操作系統(tǒng)其他軟件一樣，單擊EW8051-EV-Web-8101.exe進(jìn)行安裝。1.6軟件資源1.6.3仿真器驅(qū)動(dòng)程序的安裝1．自動(dòng)安裝仿真器的驅(qū)動(dòng)程序成功安裝IAR軟件后，由于IAR的安裝軟件中含有仿真器的驅(qū)動(dòng)，所以連接仿真器與PC后可以自動(dòng)安裝仿真器的驅(qū)動(dòng)程序。1.6軟件資源1.6.3仿真器驅(qū)動(dòng)程序的安裝2．手動(dòng)安裝仿真器的驅(qū)動(dòng)程序如果向?qū)茨茏詣?dòng)搜索到驅(qū)動(dòng)文件，驅(qū)動(dòng)程序可以在IAR的安裝文件中找到。選擇“瀏覽我的計(jì)算機(jī)以查找驅(qū)動(dòng)程序軟件(R)”選項(xiàng)。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用1．新建一個(gè)工程打開IAREmbeddedWorkbench軟件，選擇“Project”→“CreateNewProject”命令。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用2．參數(shù)設(shè)置選擇“Project”→“Options”選項(xiàng)。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用2．參數(shù)設(shè)置（1）GeneralOptions設(shè)置

將“GeneralOptions”→“Target”選項(xiàng)中的“Device”選擇為CC2530F256。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用2．參數(shù)設(shè)置（2）Debugger設(shè)置。在“Debugger”菜單的“Setup”選項(xiàng)卡中，“Driver”選項(xiàng)選擇“TexasInstruments”。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用3．第一個(gè)項(xiàng)目新建一個(gè)C文件，選擇New菜單中的“File”選項(xiàng)并保存。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用3．第一個(gè)項(xiàng)目1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用3．第一個(gè)項(xiàng)目一個(gè)模塊中包含兩個(gè)文件，一個(gè)是h文件，另一個(gè)是c文件。h文件是一個(gè)接口描述文件，其文件內(nèi)部一般不包含任何實(shí)質(zhì)性的函數(shù)代碼，主要對(duì)外提供接口函數(shù)或接口變量。h文件的構(gòu)成原則是：外界不該知道的信息就不應(yīng)該出現(xiàn)在h文件里，而供外界調(diào)用的模塊內(nèi)部接口函數(shù)或接口變量所必需的信息就一定要出現(xiàn)在h文件里。c文件的主要功能是對(duì)h文件中聲明的外部函數(shù)進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，對(duì)具體實(shí)現(xiàn)方式?jīng)]有特殊規(guī)定，只要能實(shí)現(xiàn)其函數(shù)功能即可。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用4．IAR中標(biāo)記行號(hào)和字體IAR中可以設(shè)置字體大小、關(guān)鍵字的顏色及行號(hào)顯示。選擇“tools”菜單中的“Options”選項(xiàng)進(jìn)入設(shè)置。在“tools”菜單的“Options”選項(xiàng)中，“Editor”勾選“Showlinenumber”便可以顯示行號(hào)。1.7軟件應(yīng)用1.7.1IAR的使用4．IAR中標(biāo)記行號(hào)和字體在“tools”菜單“Options”選項(xiàng)的“EditorColorsandFonts”中便可以設(shè)置字體，1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝從TI官方網(wǎng)站上下載ZStack-CC2530-2.5.1a.exe，進(jìn)行協(xié)議棧的安裝。協(xié)議棧GenericApp實(shí)現(xiàn)設(shè)備互相綁定傳送信息（helloworld）；SampleApp主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備發(fā)送和接收LED燈信息；SimpleApp主要實(shí)現(xiàn)溫度和燈開關(guān)，和智能家居結(jié)合使用的haveProfile。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝打開SampleApp工程文件，其文件布局中有許多文件夾，如App、HAL、MAC等，這些文件夾對(duì)應(yīng)著ZigBee協(xié)議中不同的層。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝1.App文件夾使用ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)時(shí)一般只需要修改App文件夾下的文件。用戶編寫的應(yīng)用程序源代碼一般放在APP文件夾下。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝2.HAL文件夾Commmon目錄下的文件是公用文件，基本上與硬件無關(guān)，其中hal_assert.c是測(cè)試文件，用于調(diào)試；hal_drivers.c是驅(qū)動(dòng)文件，抽象出與硬件無關(guān)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。Includ目錄下主要包含各個(gè)硬件模塊的頭文件。Target目錄下的文件是跟硬件相關(guān)的，有CC2530DB平臺(tái)和CC2530EB兩個(gè)平臺(tái)。DB和EB表示TI公司開發(fā)板的型號(hào)。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝3.MAC文件夾HighLevel和LowLevel兩個(gè)目錄分別表示MAC層的高層和底層。Include目錄下包含MAC層的參數(shù)配置文件及基MAC的LIB庫(kù)函數(shù)接口文件，這里MAC層的協(xié)議是不開源的，以庫(kù)的形式給出。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝4.MT文件夾MT文件夾下的文件主要用于調(diào)試，即過串口調(diào)試各層，與各層進(jìn)行直接交互。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝5.NWK文件夾NWK文件夾包含網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)文件、網(wǎng)絡(luò)層庫(kù)的函數(shù)接口文件，以及APS層庫(kù)的函數(shù)接口。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝6.OSAL文件夾OSAL指操作系統(tǒng)抽象層，主要實(shí)現(xiàn)Z-Stack協(xié)議棧的操作系統(tǒng)對(duì)硬件的管理和封裝。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝7.Profile文件夾Profile文件夾下包含AF（應(yīng)用框架）層處理函數(shù)接口文件，如開發(fā)常用到的數(shù)據(jù)的收、發(fā)及終端管理等函數(shù)。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝8.Security文件夾Security文件夾下包含安全層處理函數(shù)接口文件。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝9.Services文件夾Services文件包括地址模式的定義及地址處理函數(shù)。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝10.Tools文件夾Tools文件包括空間劃分及Z-Stack相關(guān)配置信息。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝10.Tools文件夾注意：灰色表示在當(dāng)前工作空間（workspace）中不參加編譯。其設(shè)置方法是選擇相應(yīng)的文件，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Options”出現(xiàn)的界面，勾選“Excludeformbuild”。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝11.ZDO文件夾ZDO（ZigBee設(shè)備對(duì)象）是一種公共的功能集，方便用戶用自定義的對(duì)象調(diào)用APS層和NWK層的服務(wù)。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝12.ZMac文件夾ZMac文件夾提供了Z-Stack中關(guān)于MAC操作的接口函數(shù)；zmac.c是Z-StackMAC層導(dǎo)出層接口文件，zmac_cb.c是ZMAC需要調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝13.ZMain文件夾ZMain文件夾下，ZMain.c主要包含了整個(gè)項(xiàng)目的入口函數(shù)main()，在OnBoard.c中包含對(duì)硬件開發(fā)平臺(tái)各類外設(shè)進(jìn)行控制的接口函數(shù)。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝14.Output文件夾Output文件是IDE自動(dòng)生成的。協(xié)議棧提供EndDeviceEB（終端設(shè)備）、CoordinatorEB（協(xié)調(diào)器設(shè)備）和RouterEB（路由設(shè)備）等設(shè)備工作空間。1.7軟件應(yīng)用1.7.2協(xié)議棧的安裝協(xié)議棧布局窗口中出現(xiàn)“*”只表示文件沒有保存，文件保存后就不會(huì)出現(xiàn)“*”標(biāo)記。1.7軟件應(yīng)用1.7.3

協(xié)議棧中文件的移除和增加ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議，該協(xié)議棧為用戶提供了API函數(shù)接口，在開發(fā)過程中用戶不必去關(guān)心ZigBee協(xié)議是怎么實(shí)現(xiàn)的，只需關(guān)心程序的數(shù)據(jù)從哪里來然后到哪里去。1.7軟件應(yīng)用1.7.4

協(xié)議棧的基本操作1.查看函數(shù)或者宏定義Z-Stack是TI公司提供的半開放的ZigBee協(xié)議棧，對(duì)于開發(fā)使用者來說一般只要關(guān)心APP文件夾下的文件即可。用戶自己編寫的驅(qū)動(dòng)等文件也是要放到這個(gè)文件夾下的。關(guān)于App文件夾下的主執(zhí)行文件，需要關(guān)注的就是SampleApp.c或者Enddevice.c文件及ZMain.c文件，ZMain.c主要用于初始化，而SampleApp.c或者Enddevice.c文件里面就包含了用戶要做的事情。1.7軟件應(yīng)用1.7.4

協(xié)議棧的基本操作1.查看函數(shù)或者宏定義打開OSALSampleApp.c文件找到SampleApp_ProcessEvent定義的宏，它規(guī)定了SampleApp事件。我們要查找一個(gè)函數(shù)或者宏定義的出處時(shí)，可以先選擇要查找的內(nèi)容，選擇“Gotodefinitionof...”就可以直接找到其定義之處了。1.7軟件應(yīng)用1.7.4

協(xié)議棧的基本操作2.信道選擇和修改網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)①f8w2530.cxl：該文件包含了CC2530單片機(jī)的鏈接控制指令，包括堆棧的大小、內(nèi)存分配等，一般情況下我們不需要修改。1.7軟件應(yīng)用1.7.4

協(xié)議棧的基本操作2.信道選擇和修改網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)②f8wConfig.cfg：該文件包含了信道選擇、網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)等有關(guān)的鏈接命令。例如，我們的信道默認(rèn)為-DDEFAULT_CHANLIST=0x00000800//11-0x0B，建立網(wǎng)絡(luò)ID的默認(rèn)ID為-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF，需要建立不同的網(wǎng)絡(luò)信道及網(wǎng)絡(luò)ID時(shí)就可以在這里修改。③f8wCoord.cfg：配置無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器設(shè)備類型及CPU的運(yùn)行頻率。例如，下面的代碼就定義了該設(shè)備具有協(xié)調(diào)器和路由器的功能。1.7軟件應(yīng)用1.7.4

協(xié)議棧的基本操作2.信道選擇和修改網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)④f8wEndev.cfg：配置無線網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)CPU的運(yùn)行頻率及MAC設(shè)定。⑤f8wRouter.cfg：配置無線網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備的CPU運(yùn)行頻率、MAC設(shè)定、路由設(shè)定等。1.7軟件應(yīng)用1.7.4

協(xié)議棧的基本操作3.設(shè)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在ZigBee協(xié)議棧的NWK目錄中的nwk_globals.h文件中，找到NWK_MODE的設(shè)置模式，將NWK_MODE_MESH改成NWK_MODE_STAR。NWK_MODE_MESH代表網(wǎng)狀網(wǎng)，NWK_MODE_STAR代表星狀網(wǎng)，NWK_MODE_TREE代表樹狀網(wǎng)，這里將網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為最簡(jiǎn)單、最穩(wěn)定的星狀網(wǎng)。項(xiàng)目小結(jié)①ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織或者多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。②傳感器負(fù)責(zé)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中感知和采集數(shù)據(jù)，它處于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知層，是識(shí)別物體、采集信息的設(shè)備。③ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由PC、網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)四部分組成。④ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要軟件協(xié)議棧由物理層（PHY層）、介質(zhì)訪問控制層（MAC層）、網(wǎng)路層（NWK層）和應(yīng)用層（APL層）組成。謝謝聆聽！無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用：ZigBee版項(xiàng)目2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)入門課程標(biāo)準(zhǔn)PPT電子課件參考程序代碼教學(xué)視頻資料教材習(xí)題參考答案項(xiàng)目目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)（1）掌握ZigBee無線傳感器模塊的芯片選型。（2）掌握ZigBee無線傳感器模塊的硬件資源。（1）熟悉BasicRF組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的方法。（2）熟悉使用CC2530建立無線串口通信的方法。通過導(dǎo)入案例“傳感器故障引發(fā)空難事件”，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

思維導(dǎo)圖隨著現(xiàn)代微電子、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）、SoC、納米材料、無線通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，傳感器信息獲取技術(shù)從獨(dú)立的單一化模式向集成化、微型化，進(jìn)而向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，成為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)之一。2.1需求分析2.1.1各層功能簡(jiǎn)介根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型和節(jié)點(diǎn)等情況，物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理層、媒體接入控制層、網(wǎng)絡(luò)/安全層和應(yīng)用層組成。2.1需求分析2.1.1各層功能簡(jiǎn)介1.物理層物理層定義了無線信息和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)，主要是在驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和管理。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，管理服務(wù)包括信道能量監(jiān)測(cè)（EnergyDetection，ED）、鏈接質(zhì)量指示（LinkQualilyIndicator，LQI）、載波檢測(cè)（CarrierSense，CS）和空閑信道評(píng)估（ClearChannelAssessment，CCA）等，維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。2.1需求分析2.1.1各層功能簡(jiǎn)介2.介質(zhì)訪問控制層介質(zhì)訪問控制層提供了MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，而后者從事MAC層的管理活動(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。2.1需求分析2.1.1各層功能簡(jiǎn)介3.網(wǎng)絡(luò)/安全層網(wǎng)絡(luò)/安全層負(fù)責(zé)設(shè)備加入和退出網(wǎng)絡(luò)，申請(qǐng)安全結(jié)構(gòu)、路由管理，在設(shè)備之間發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由，發(fā)現(xiàn)鄰設(shè)備、存儲(chǔ)鄰設(shè)備信息。2.1需求分析2.1.1各層功能簡(jiǎn)介4．應(yīng)用層應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（ApplicationSupportLayer，APS）和ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）。其中，APS負(fù)責(zé)維持綁定表，在綁定的設(shè)備之間傳送消息；而ZDO定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。2.1需求分析2.1.2最低需求估算①硬件需要8位處理器，如80C51。②軟件需要32KB的ROM，最小軟件需要4KB的ROM，如CC2430芯片具有8051內(nèi)核、內(nèi)存可選擇從32～128KB的ZigBee無線單片機(jī)系統(tǒng)。③網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表以及與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)等。2.2核心板硬件資源2.2.1節(jié)點(diǎn)芯片選型單片機(jī)按照CPU處理數(shù)據(jù)的位寬可分為4位、8位、16位和32位單片機(jī)。其中8位單片機(jī)由于內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單、體格小、成本低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛。4位單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著工藝的發(fā)展，由于性能較低，逐步退出市場(chǎng)。而16位和32位單片機(jī)雖然性能比8位單片機(jī)強(qiáng)得多，但由于成本和應(yīng)用場(chǎng)合的限制，尤其是近年來ARM嵌入式技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致它的應(yīng)用不如8位單片機(jī)那么廣泛。而16位和32位單片機(jī)主要應(yīng)用于視頻采集、圖形處理等方面。目前，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的有TI公司的MSP430系列，Atmel公司的AVR系列、51系列，Microchip公司的AVR系列、51系列、PIC系列等。除了單片機(jī)含有的外設(shè)和數(shù)量存在一定的差異外，處理器核的差異是體現(xiàn)這些單片機(jī)性能差異的主要原因。本系統(tǒng)采用TI公司的8位單片機(jī)CC2530作為核心芯片進(jìn)行闡述。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介CC2530是用于IEEE802.15.4ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的SoC解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存及8KBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530有4種不同的閃存版本即CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介模塊大致可以分為三類：CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊，外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)的模塊，以及無線電相關(guān)的模塊。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（1）CPU和內(nèi)存CC2530芯片系列中使用的8051CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核。它有三種不同的內(nèi)存訪問總線：特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR）、數(shù)據(jù)（DATA）和代碼/外部數(shù)據(jù)（CODE/XDATA）。它包括一個(gè)調(diào)試接口和一個(gè)18輸入擴(kuò)展中斷單元。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（1）CPU和內(nèi)存內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，因?yàn)樗ㄟ^SFR總線把CPU和DMA控制器和物理存儲(chǔ)器以及所有外設(shè)連接起來。內(nèi)存仲裁器有4個(gè)內(nèi)存訪問點(diǎn)，每次訪問可以映射3個(gè)物理存儲(chǔ)器之一：8-KBSRAM、閃存存儲(chǔ)器和XREG/SFR寄存器。它負(fù)責(zé)執(zhí)行仲裁，并確定同時(shí)訪問同一個(gè)物理存儲(chǔ)器之間的順序。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（2）時(shí)鐘和電源管理數(shù)字內(nèi)核和外設(shè)由一個(gè)1.8V低差穩(wěn)壓器供電。它提供了電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)使用不同供電模式的長(zhǎng)電池壽命的低功耗運(yùn)行。CC2530有5種不同的復(fù)位源來復(fù)位設(shè)備。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（3）外設(shè)CC2530包括許多不同的外設(shè)，允許應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者開發(fā)先進(jìn)的應(yīng)用。調(diào)試接口執(zhí)行1個(gè)專有的兩線串行接口，用于內(nèi)電路調(diào)試。通過這個(gè)調(diào)試接口，可以執(zhí)行整個(gè)閃存存儲(chǔ)器的擦除、控制哪個(gè)振蕩器、停止和開始執(zhí)行用戶程序、執(zhí)行8051內(nèi)核提供的指令、設(shè)置代碼斷點(diǎn)，以及內(nèi)核中全部指令的單步調(diào)試。使用這些技術(shù)，可以很好地執(zhí)行內(nèi)電路的調(diào)試和外部閃存的編程。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（3）外設(shè)定時(shí)器1是一個(gè)16位定時(shí)器，具有定時(shí)器/PWM功能。MAC定時(shí)器（定時(shí)器2）是專門為支持IEEE802.15.4MAC或軟件中其他時(shí)槽的協(xié)議設(shè)計(jì)。定時(shí)器3和定時(shí)器4是8位定時(shí)器，具有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/PWM功能。睡眠定時(shí)器在除了供電模式3的所有工作模式下不斷運(yùn)行。這一定時(shí)器的典型應(yīng)用是作為實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器，或作為一個(gè)喚醒定時(shí)器跳出供電模式1或2。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（3）外設(shè)ADC支持7～12位的分辨率，帶寬頻率為30kHz或4kHz。DC和音頻轉(zhuǎn)換可以使用高達(dá)8個(gè)輸入通道（端口0），輸入可以選擇作為單端或差分。參考電壓可以是內(nèi)部電壓、AVDD或是一個(gè)單端或差分外部信號(hào)。ADC還有一個(gè)溫度傳感輸入通道。ADC可以自動(dòng)執(zhí)行定期抽樣或轉(zhuǎn)換通道序列的程序。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（3）外設(shè)串口1（USART0）和串口2（USART1）每個(gè)被配置為一個(gè)SPI主/從或一個(gè)UART。它們?yōu)镽X和TX提供了雙緩沖，以及硬件流控制，因此非常適合于高吞吐量的全雙工應(yīng)用，每個(gè)都有自己的高精度波特率發(fā)生器，可以將普通定時(shí)器空閑出來用作其他用途。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源1．CC2530簡(jiǎn)介（4）無線電CC2530具有一個(gè)IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器。RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。另外，它提供了MCU和無線設(shè)備之間的一個(gè)接口，從而可以發(fā)出命令、讀取狀態(tài)，自動(dòng)操作和確定無線設(shè)備事件的順序。無線設(shè)備還包括一個(gè)數(shù)據(jù)包過濾和地址識(shí)別模塊。2.2核心板硬件資源2.2.2核心板硬件資源2．選型參考功能配置CC2530CC2531CC25332.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器有有有射頻調(diào)制模式DSSSDSSS

最大可編程輸出功率＋4.5dBmW＋4.5dBmW＋4.5dBmW內(nèi)置FLASH空間（Byte）32k/64k/128k/256128k/256k32k/64k/96k內(nèi)置RAM空間8k4k/6kUSB接口（FULLSPEED）無有無ADC有無電池低電壓監(jiān)控不支持支持I2C不支持支持待機(jī)消耗電流（UA）1＜1封裝QFN40QFN40QFN40IEEE802.15.4支持支持支持標(biāo)準(zhǔn)RF4CE協(xié)議棧支持支持支持標(biāo)準(zhǔn)TIMAC協(xié)議棧支持支持支持標(biāo)準(zhǔn)SimpliciTI協(xié)議棧支持支持支持標(biāo)準(zhǔn)Z-Stack協(xié)議棧支持支持不支持2.2核心板硬件資源2.2.3底板硬件資源1．底板電源電路設(shè)計(jì)GECCC2530F256節(jié)點(diǎn)考慮兩種供電方式：AA電池供電和USB供電。兩節(jié)AA電池電壓為3V，因而節(jié)點(diǎn)不需要專門的升壓/降壓芯片為IC供電。USB供電方式的電壓為4.5～5V，節(jié)點(diǎn)采用TI公司的TPS60211升壓為其他IC提供3.3V電壓。TPS60211輸出電流可達(dá)400mA，輸出100mA時(shí)所需最低壓降為120mV。2.2核心板硬件資源2.2.3底板硬件資源2．LED電路設(shè)計(jì)LED主要用于指示電路的工作狀態(tài)，如加入網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)良好、正在傳輸數(shù)據(jù)等信息。2.2核心板硬件資源2.2.3底板硬件資源3．傳感電路設(shè)計(jì)GECCC2530F256節(jié)點(diǎn)的傳感器包括溫濕度傳感器和光敏電阻、溫敏電阻。溫濕度傳感器采用AOSONG公司的DHT11。DHT11將溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱等功能集成到一個(gè)芯片上。2.2核心板硬件資源2.2.3底板硬件資源4．按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵應(yīng)用人機(jī)交互方法，主要用于復(fù)位功能、燈的開關(guān)等功能的實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目小結(jié)①ZigBee是一種短距離的無線通信技術(shù)，其應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。②單片機(jī)按照CPU處理數(shù)據(jù)的位寬可分為4位、8位、16位和32位機(jī)。其中，8位單片機(jī)由于內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單、體格小、成本低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛；4位單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著工藝的發(fā)展，由于性能較低，逐步退出市場(chǎng)；而16位和32位單片機(jī)主要應(yīng)用于視頻采集、圖形處理等方面。

③CC2530芯片系列中使用的8051CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核。它有3種不同的內(nèi)存訪問總線：特殊功能寄存器（SFR）、數(shù)據(jù)（DATA）和代碼/外部數(shù)據(jù)（CODE/XDATA）。謝謝聆聽！無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用：ZigBee版項(xiàng)目三

了解ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧課程標(biāo)準(zhǔn)PPT電子課件參考程序代碼教學(xué)視頻資料教材習(xí)題參考答案項(xiàng)目目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)（1）掌握ZigBee無線傳感器協(xié)議棧和協(xié)議的區(qū)別等知識(shí)。（2）掌握Z-Stack協(xié)議棧的OSAL分配機(jī)制。（3）了解Z-Stack協(xié)議棧的OSAL運(yùn)行機(jī)制。（4）掌握Z-Stack協(xié)議棧的OSAL常用函數(shù)。（1）掌握Z-Stack協(xié)議棧的添加新任務(wù)的方法。（2）掌握Z-Stack協(xié)議棧的添加新事件的方法。通過導(dǎo)入案例“突破‘卡脖子’勢(shì)在必行”，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

思維導(dǎo)圖在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程的實(shí)際開發(fā)過程中，應(yīng)借助TI提供的協(xié)議棧中例程SampleApp，根據(jù)需要完成的功能，通過查看支持Z-Stack協(xié)議棧的硬件電路圖，以及查閱各種文件，如CC2530的數(shù)據(jù)手冊(cè)、Z-Stack協(xié)議棧說明、Z-Stack協(xié)議棧API函數(shù)使用說明等，進(jìn)行協(xié)議棧的修改。最后使用燒錄器下載到相應(yīng)的硬件中，實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。3.1Z-Stack協(xié)議棧3.1.1協(xié)議與協(xié)議棧協(xié)議定義的是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)。協(xié)議棧是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，可通俗地理解為代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫(kù)，以便于開發(fā)人員調(diào)用。3.1Z-Stack協(xié)議棧3.1.1協(xié)議與協(xié)議棧ZigBee的協(xié)議分為兩部分，IEEE802.15.4定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，ZigBee協(xié)議棧就是將各層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并提供一些應(yīng)用層API供用戶調(diào)用。3.1Z-Stack協(xié)議棧3.1.2使用Z-Stack協(xié)議棧傳輸SampleApp.c中定義了發(fā)送函數(shù)staticvoidampleApp_SendTheMessage(void)。該函數(shù)通過調(diào)用AF_DataRequest函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)。AF_DataRequest函數(shù)定義在Profile目錄下的AF.c文件中。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.1物理層物理層（PHY）定義了無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)，主要是在驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和管理。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，管理服務(wù)包括信道能量監(jiān)測(cè)（ED）、鏈接質(zhì)量指示（LQI）、載波檢測(cè)（CS）和空閑信道評(píng)估（CCA）等，維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.2質(zhì)訪問控制層介質(zhì)訪問控制層（MAC）提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)確認(rèn)以及一些用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)形成的命令，但是介質(zhì)訪問控制層不支持多跳、網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)等概念。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層（NWK）主要負(fù)責(zé)設(shè)備加入和退出網(wǎng)絡(luò)、路由管理，在設(shè)備之間發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由，發(fā)現(xiàn)鄰設(shè)備，存儲(chǔ)鄰設(shè)備信息等。

1.地址類型每一個(gè)ZigBee設(shè)備有一個(gè)64位IEEE地址，即MAC地址，跟網(wǎng)卡MAC一樣，是全球唯一的。但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，為了方便，通常用16位的短地址來標(biāo)識(shí)自身和識(shí)別對(duì)方，也稱為網(wǎng)絡(luò)地址。對(duì)于協(xié)調(diào)器來說，短地址為0000H；對(duì)于路由器和終端設(shè)備來說，短地址是由它們所在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器分配的。

2．網(wǎng)絡(luò)地址分配網(wǎng)絡(luò)地址分配由網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器來完成，為了讓網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址（短地址），它要按照事先配置的參數(shù)，并遵循一定的算法來分配。這些參數(shù)是MAX_DEPTH、MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN。MAX_DEPTH決定了網(wǎng)絡(luò)的最大深度。MAX_CHILDREN決定了一個(gè)路由器或者一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以連接的子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)。MAX_ROUTERS決定了一個(gè)路由器或者一個(gè)協(xié)調(diào)器可以處理的具有路由功能的子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層

3．Z-Stack尋址

向ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通常使用AF_DataRequest()函數(shù)。該函數(shù)需要一個(gè)afAssr-Type_t類型的目標(biāo)地址作為參數(shù)。

typedefstruct{union{uint16shortAddr;}addr;afAddrMode_taddrMode;byteendpoint;}afAddrType_t;這里，除了網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）和端點(diǎn)外，還要指定地址模式參數(shù)。地址模式參數(shù)可以設(shè)置為以下幾個(gè)值。typedefenum{afAddrNotPresent=AddrNotPresent;afAddr16Bit=Addr16Bit;afAddrGroup=AddrGroup;afAddrBroadcast=AddrBroadcast}afAddrMode_t;3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層

3．Z-Stack尋址在ZigBee協(xié)議棧中，數(shù)據(jù)包可以單點(diǎn)傳送（unicast）、多點(diǎn)傳送（multicast）或者廣播傳送，所以必須有地址模式參數(shù)。一個(gè)單點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包只發(fā)送給一個(gè)設(shè)備，多點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包則要傳送給一組設(shè)備，而廣播數(shù)據(jù)包則要發(fā)送給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層

3．Z-Stack尋址（1）單點(diǎn)傳送單點(diǎn)傳送是標(biāo)準(zhǔn)尋址模式，它將數(shù)據(jù)包發(fā)送給一個(gè)已經(jīng)知道網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。此時(shí)應(yīng)將地址模式設(shè)置為Addr16Bit，并且在數(shù)據(jù)包中攜帶目標(biāo)設(shè)備地址。（2）多點(diǎn)傳送當(dāng)應(yīng)用程序不知道數(shù)據(jù)包的目標(biāo)設(shè)備在哪里時(shí)，將地址模式設(shè)置為AddrNotPresent。Z-Stack底層將自動(dòng)從棧的綁定表中查找目標(biāo)設(shè)備的具體網(wǎng)絡(luò)地址，這種特點(diǎn)稱為源綁定。如果在綁定表中找到多個(gè)設(shè)備，則向每個(gè)設(shè)備都發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的復(fù)本。（3）廣播傳送當(dāng)應(yīng)用程序需要將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)設(shè)備時(shí)，將使用廣播模式，此時(shí)將地址模式設(shè)置為AddrBroadcast。目標(biāo)地址shortAddr可以設(shè)置為下面廣播地址中的一種。①NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVALL（0xFFFF）：數(shù)據(jù)包將被傳送到網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備，包括睡眠中的設(shè)備。對(duì)于睡眠中的設(shè)備，數(shù)據(jù)包將被保留在其父節(jié)點(diǎn)，直到蘇醒后主動(dòng)到父節(jié)點(diǎn)查詢，或者直到消息超時(shí)。②NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVRXON（0xFFFD）：數(shù)據(jù)包將被傳送到網(wǎng)絡(luò)上的所有空閑時(shí)打開接收的設(shè)備（RXONWHENIDELE），即除了睡眠中的所有設(shè)備。③NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVZCZR（0xFFFC）：數(shù)據(jù)發(fā)送給所有的路由器（包括協(xié)調(diào)器，它是一種特殊的路由器）。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層

4．路由路由器的工作是為經(jīng)過路由器的每個(gè)數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的節(jié)點(diǎn)。選擇通暢快捷的近路，能大大提高通信速度、減輕網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信負(fù)荷、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源、提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)暢通率，從而讓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)揮出更大的效益。而在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，路由器是非常重要的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它不僅完成路由的功能，更重要的是，它在數(shù)據(jù)傳輸過程中起到了“接力棒”的作用，大大拓展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的“交通樞紐”。選擇最佳的策略即路由算法是路由器的關(guān)鍵所在。Z-Stack提供了比較完善、高效的路由算法。路由對(duì)于應(yīng)用層來說是完全透明的。應(yīng)用程序只需將數(shù)據(jù)下發(fā)到協(xié)議棧中，協(xié)議棧會(huì)負(fù)責(zé)尋找路徑，通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送到目的地址。ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由故障能夠自愈，如果某個(gè)無線連接斷開了，路由功能又能自動(dòng)尋找一條新的路徑避開那個(gè)斷開的網(wǎng)絡(luò)連接。這就極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，這也是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵特性。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層

4．路由（1）路由協(xié)議ZigBee路由協(xié)議是基于AODV專用網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。ZigBee將AODV路由協(xié)議優(yōu)化，使其能夠適應(yīng)于各種環(huán)境，支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、連接失敗和數(shù)據(jù)包丟失等復(fù)雜環(huán)境。①路徑的尋找與選擇。②路徑保持與維護(hù)。③路徑期滿處理。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層

4．路由（2）表存儲(chǔ)要實(shí)現(xiàn)路由功能，需要路由器建立一些表格去保持和維護(hù)路由信息。①路由表。②路徑尋找表。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.3網(wǎng)絡(luò)層

5．安全為了保證一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的保密性，防止重要數(shù)據(jù)被竊取，ZigBee協(xié)議還可以采用AEC/CCM安全算法，提供可選的安全功能。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.4應(yīng)用層應(yīng)用層主要包括應(yīng)用支持子層（APS層）和ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）。其中，APS負(fù)責(zé)維護(hù)和綁定表、在綁定設(shè)備之間傳送消息；而ZDO定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.4應(yīng)用層1．綁定在綁定表的條目中，有時(shí)會(huì)有多個(gè)目標(biāo)端點(diǎn)，這使得協(xié)議棧自動(dòng)地重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包到綁定表指定的各個(gè)目標(biāo)地址。同時(shí)，如果在編譯目標(biāo)文件時(shí)，編譯選項(xiàng)NV_RESTORE被打開，協(xié)議棧將會(huì)把綁定條目保存在非易失性存儲(chǔ)器里。因此，當(dāng)意外重啟（或者節(jié)點(diǎn)電池耗盡需要更換）等突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)恢復(fù)到掉電前的工作狀態(tài)，而不需要用戶重新設(shè)置綁定服務(wù)。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.4應(yīng)用層2．配置文件配置文件（Profile）就是應(yīng)用程序框架，它是由ZigBee技術(shù)開發(fā)商提供的，應(yīng)用于特定的應(yīng)用場(chǎng)合，是用戶進(jìn)行ZigBee技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，用戶也可以使用專用工具建立自己的配置文件。配置文件是這樣一種規(guī)范，它規(guī)定不同設(shè)備對(duì)消息幀的處理行為，使不同的設(shè)備之間可以通過發(fā)送命令、數(shù)據(jù)請(qǐng)求來實(shí)現(xiàn)互操作。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.2.4應(yīng)用層3．端點(diǎn)端點(diǎn)（EndPoint）是一種網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)通信，它是無線通信節(jié)點(diǎn)的一個(gè)通信部件，如果選擇“綁定”方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信，那么可以直接面對(duì)端點(diǎn)操作，而不需要知道綁定的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址信息。每個(gè)ZigBee設(shè)備支持240個(gè)這樣的端點(diǎn)。端點(diǎn)的值和IEEE長(zhǎng)地址、16位短地址一樣，是唯一確定的網(wǎng)絡(luò)地址，通常結(jié)合綁定功能一起使用。它是ZigBee無線通信的一個(gè)重要參數(shù)。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.3.1常用術(shù)語1．資源任何任務(wù)所占用的實(shí)體都可以稱為資源（Resource），如一個(gè)變量、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等。2．共享資源至少可以被兩個(gè)任務(wù)使用的資源稱為共享資源（SharedResource）。為了防止共享資源被破壞，每個(gè)任務(wù)在操作共享資源時(shí)，必須保證是獨(dú)占該資源。3．任務(wù)一個(gè)任務(wù)（Task）又稱為一個(gè)線程，是一個(gè)簡(jiǎn)單程序的執(zhí)行過程。單個(gè)任務(wù)中CPU完全是被該任務(wù)獨(dú)占的。在任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將問題盡可能地分為多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)獨(dú)立完成某種功能，同時(shí)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，擁有自己的CPU寄存器和堆?？臻g。一般將任務(wù)設(shè)計(jì)為一個(gè)無限循環(huán)。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.3.1常用術(shù)語4．多任務(wù)運(yùn)行多任務(wù)運(yùn)行就是一個(gè)線程組，其實(shí)質(zhì)只有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行，但是CPU可以使用任務(wù)調(diào)度策略將多個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，每個(gè)任務(wù)執(zhí)行特定的時(shí)間，時(shí)間片到了以后，就進(jìn)行任務(wù)切換，由于每個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間都很短，因此，任務(wù)切換比較頻繁，這就造成了多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行“假象”。5．內(nèi)核在多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核（Kernel）負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，主要包括為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，任務(wù)調(diào)度，負(fù)責(zé)任務(wù)間的通信。內(nèi)核提供的基本的內(nèi)核服務(wù)就是任務(wù)切換。使用內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法。借助內(nèi)核提供的任務(wù)切換功能，可以將應(yīng)用程序分為不同的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。6．互斥多任務(wù)通信最簡(jiǎn)單、最常用的方法是使用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，所有任務(wù)都在單一的地址空間下，使用共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括全局變量、指針、緩沖區(qū)等。雖然共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法簡(jiǎn)單，但是必須保證對(duì)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的寫操作具有唯一性，以避免晶振和數(shù)據(jù)不同步。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.3.1常用術(shù)語7．消息隊(duì)列（MessageQueue）消息隊(duì)列（MessageQueue）用于任務(wù)間傳遞消息，通常包含任務(wù)間同步的信息。通過內(nèi)核提供的服務(wù)、任務(wù)或者中斷服務(wù)程序?qū)⒁粭l消息放入消息隊(duì)列，然后，其他任務(wù)可以使用內(nèi)核提供的服務(wù)從消息隊(duì)列中獲取屬于自己的消息。為了降低傳遞消息的開支，通常傳遞指向消息的指針。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.3.2OSAL簡(jiǎn)介TI的Z-Stack協(xié)議棧就是基于一個(gè)最基本的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)就是OSAL。一般情況下，用戶只需額外添加三個(gè)文件就可以完成一個(gè)項(xiàng)目，一個(gè)是主控文件，存放具體的任務(wù)事件處理函數(shù)（如SampleApp_ProcessEvent或GenericApp_ProcessEvent）；第二個(gè)是這個(gè)主控文件的頭文件（如SampleApp.h）；第三個(gè)是操作系統(tǒng)接口文件（如OSAL_SampleApp.c），主要存放任務(wù)數(shù)組tasksArr[]，任務(wù)數(shù)組的具體內(nèi)容為每個(gè)任務(wù)的相應(yīng)的處理函數(shù)指針。通過這種方式，Z-Stack就實(shí)現(xiàn)了絕大部分代碼公用，用戶只需要添加這幾個(gè)文件，編寫自己的任務(wù)處理函數(shù)就可以了，無需改動(dòng)Z-Stack核心代碼，大大增加了項(xiàng)目的通用性和易移植性。3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.3.2OSAL簡(jiǎn)介3.2ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能層簡(jiǎn)介3.3.2OSAL簡(jiǎn)介應(yīng)用程序框架中包含了最多240個(gè)應(yīng)用程序?qū)ο?，每個(gè)應(yīng)用程序?qū)ο筮\(yùn)行在不同的端口上。因此，端口的作用就是區(qū)分不同的應(yīng)用對(duì)象?？梢园岩粋€(gè)應(yīng)用程序?qū)ο罂闯梢粋€(gè)任務(wù)。因此，需要一個(gè)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換、同步和互斥，這就是OSAL產(chǎn)生的根源。3.3OSAL多任務(wù)分配機(jī)制SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。大多數(shù)層有數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口兩個(gè)接口。其中數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)；管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層的參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)服務(wù)。物理層和媒體接入控制子層均屬于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)/安全層、應(yīng)用層一起，構(gòu)成了ZigBee協(xié)議棧。3.3.2OSAL簡(jiǎn)介3.3OSAL多任務(wù)分配機(jī)制Z-Stack采用事件輪詢機(jī)制來設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，處理結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，則判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級(jí)系統(tǒng)的功耗。3.3.3Z-Stack初始化3.3OSAL多任務(wù)分配機(jī)制3.3.3Z-Stack初始化3.4OSAL的運(yùn)行機(jī)制Z-Stack初始化完成后，執(zhí)行osal_start_system()函數(shù)開始運(yùn)行OSAL系統(tǒng)。該任務(wù)調(diào)度函數(shù)按照優(yōu)先級(jí)檢測(cè)各個(gè)任務(wù)是否就緒。如果存在就緒的任務(wù)則調(diào)用tasksArr[]中相對(duì)應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)去處理該事件，直到執(zhí)行完所有就緒的任務(wù)。如果任務(wù)列表中沒有就緒的任務(wù)，則可以使處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)實(shí)現(xiàn)低功耗。osal_start_system()一旦執(zhí)行，則不再返回main()函數(shù)。3.4OSAL的運(yùn)行機(jī)制ZigBee協(xié)議棧采用的方法是，建立一個(gè)事件表，保存各個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的事件，建立另一個(gè)函數(shù)表，保存各個(gè)任務(wù)事件處理函數(shù)的地址，然后將這兩張表建立某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)某一事件發(fā)生時(shí)則查找函數(shù)表即可。OSAL通過tasksEvents指針訪問事件表的每一項(xiàng)，如果有事件發(fā)生，則查找函數(shù)表找到事件處理函數(shù)進(jìn)行處理，處理完后，繼續(xù)訪問事件表，查看是否有事件發(fā)生，無限循環(huán)。3.4OSAL的運(yùn)行機(jī)制在ZigBee協(xié)議棧中，三個(gè)關(guān)鍵變量其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具體如下。①tasksCnt。該變量保存了任務(wù)數(shù)，其聲明為constuint8tasksCnt，其中uint8的定義為typedefunsignedcharuint8。tasksCnt變量的定義在OSALSampleApp.c文件中。②tasksEvents。該變量是一個(gè)指針，指向了事件表的首地址，其聲明為uint16*tasksEvents，其中uint16的定義為typedefunsignedshortuint16。tasksEvents[]是一個(gè)指針數(shù)組，只是在OSAL_SampleApp.c文件中進(jìn)行定義。③tasksArr。該變量是一個(gè)數(shù)組，該數(shù)組的每一項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)指針，指向了事件的處理函數(shù)，其聲明為pTaskEventHandlerFntasksArr[]，其中pTaskEventHandlerFn的定義為typedefunsignedshort（*pTaskEventHandlerFn）（unsignedchartask_id,unsignedshortevent）。變量pTaskEventHandlerFn的定義在OSAL_Tasks.h文件中。3.4OSAL的運(yùn)行機(jī)制OSAL調(diào)度機(jī)制如下。①入口程序?yàn)閆main.c。②執(zhí)行main()主程序。③任務(wù)調(diào)度初始化osal_init_system()。④默認(rèn)啟動(dòng)了osa